正电子发射,又称β衰变,是一种粒子放射性衰变的方式,属于β衰变。在这种衰变反应中,一个质子转化成中子,同时释放出一个正电子和一个电中微子。

正电子发射的同位素

能发生正电子发射而放出正电子的同位素有碳-11、钾-40、氮-13、氧-15、氟-18和碘-121等。例如,以下的方程表示了从碳-11到硼-11的正电子发射,同时放出正电子和电子中微子:

11
6
C
 
→ 11
5
B
 
e+
 + ν
e
 + 0.96 MeV

发射机理

质子和中子是由更小的基本粒子夸克构成的。最常见的两种夸克是上夸克(带+/3个元电荷)和下夸克(带-/3个元电荷)。夸克三个一组结合起来就构成质子和中子。因此,带一个正电荷的质子由两个上夸克和一个下夸克构成。而不带电的中子由一个上夸克和两个下夸克构成。通过弱相互作用,上夸克还能改变味而转化成下夸克,这就会导致β辐射。正电子发射就是因为一个上夸克转化成下夸克而造成的。

能发生正电子发射的原子核也可能发生电子俘获。对于低能量衰变,电子俘获在能量上占据2mec = 1.022 MeV的优势,因为终态少了一个电子而不是多了一个正电子。随着衰变的能量升高,分支系数英语Branching fraction也会升高。然而,如果能量的差别小于2mec,正电子发射将不能发生,此时只有电子俘获能进行。特定的同位素(例如铍-7,7
Be
)在银河宇宙射线中是稳定的,因为电子被射线电离,此时的衰变能量对于正电子发射太少了。

应用

这些同位素可用于一种称作正电子发射断层扫描的医学影像技术。注意放出的能量取决于衰变的同位素种类,0.96 MeV的数据只适用于同位素碳-11的衰变。在质量更大的同位素中,质子转换成中子产生的能量小于2me,因此不会自发地进行正电子发射。

用于断层扫描的半衰期很短的正电子发射同位素11
C
13
N
15
O
18
F
通常由天然核反应或人工用质子轰击富集的靶获得。

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